鍋爐飛灰含碳量偏高與NOx排放濃度影響因素試驗分析

張　姣，閆曉沛，張勇勝，高　欣，王天龍

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊　050021)

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鍋爐飛灰含碳量偏高與NOx排放濃度影響因素試驗分析

張姣，閆曉沛，張勇勝，高欣，王天龍

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021)

摘要：對某電廠鍋爐飛灰含碳量偏高的問題進行試驗研究，通過改變爐膛出口氧量、NOx風門開度組合以及一次風壓等參數，分析飛灰含碳量以及NOx排放濃度的影響規律。試驗結果表明：爐膛出口氧量對飛灰含碳量以及NOx濃度的影響較大；改變二次風擋板開度對飛灰含碳量以及NOx濃度的影響相對氧量的幅度要小；一次風壓的改變對飛灰含碳量的影響效果可能受煤質的影響不太明顯，但對NOx排放濃度的降低有顯著影響。

關鍵詞：飛灰含碳量；NOx排放濃度；氧量；NOx風門開度；一次風壓

1概述

飛灰含碳量是反映電站鍋爐燃燒效率的重要指標，研究表明，飛灰含碳量每下降1%，鍋爐效率上升0.519%，供電煤耗約降低1.019 g/kWh。飛灰含碳量的高低直接影響到電廠的反平衡供電煤耗。另外飛灰含碳量高還會造成飛灰變粗，增大尾部受熱面的磨損，降低其壽命；使爐內飛灰的熔點降低，易引發受熱面結焦，使得電除塵效率降低，造成環境污染等問題，嚴重時造成鍋爐氣溫、壁溫超限，引發機組重大安全事故[1-3]。因此應盡量使鍋爐飛灰含碳量控制在合理的范圍內，以減少污染，提高電廠效益。

某電廠鍋爐是亞臨界參數、一次中間再熱、單汽包、自然循環、半露天、單爐膛、 型布置、平衡通風、固態排渣煤粉鍋爐。采用鋼球磨煤機中間儲倉式熱風送粉系統，前后墻對沖燃燒方式。配置有4臺鋼球磨煤機，前后墻各3層共24個旋流燃燒器，每個旋流燃燒器的中心為一次風噴口，向外依次為內二次風噴口、外二次風噴口。每二層燃燒器之間布置2個三次風噴口，前后墻共8個三次風口。2013年進行了低NOx燃燒器改造，燃燒器上部增加了燃盡風。在尾部豎井下設置有2臺容克式三分倉回轉式空氣預熱器。鍋爐的輔機配有2臺軸流式引風機，兩臺軸流式送風機，2臺上離心式一次風機。

2試驗工況介紹

2.1試驗工況數據

為了研究飛灰含碳量的影響因素，在煤質穩定的前提下，通過改變爐膛出口氧量、二次風擋板開度組合以及一次風壓等參數對本鍋爐進行一次為期4天的試驗分析，共分為11個工況，各工況條件如表1所示。

表1試驗工況表

工況氧量/%NOx風上層開度/%NOx風下層開度/%一次風壓/kPa1常規氧量100100常規2高氧(+0.5)100100常規3低氧(-0.5)100100常規4常規氧量50100常規5常規氧量20100常規6常規氧量5050常規7常規氧量2050常規8常規氧量10050常規9常規氧量10020常規10低氧(-0.5)100100常規11常規氧量100100高一次風壓

2.2試驗前條件準備

試驗前將入爐煤的無煙煤比例控制在60%，保持不變。試驗過程中，除工況要求控制的參數外，運行人員均按習慣操作方式調整。鍋爐主要運行參數采用表盤數據，并取試驗期間的平均值。飛灰采樣取空氣預熱器出口的固定式飛灰采樣器，試驗開始前倒空采樣瓶，試驗結束時取出瓶內樣品。

3試驗過程及分析

3.1燃煤煤質

鍋爐燃燒的好壞，很大程度上取決于燃煤品質，而煤中水分、灰分、揮發份、含碳量等指標都對燃燒有較大影響。在本次試驗中，采用的是60%的無煙煤，實際燃用煤質分析如表2所示。

表2實際燃用煤質分析

項目War/%Vdaf/%Aar/%Qnet.ar/(MJ·kg-1)設計5.9312.4124.7722.84校核4.517.2731.5120.29工況16.714.2425.1522.79工況26.714.2425.1522.79工況36.617.0830.2020.89工況46.617.0829.6820.89工況55.415.1829.6821.61工況65.415.1829.6821.61工況75.415.1829.6821.61工況85.415.1829.6821.61工況95.415.1829.6821.61工況105.415.6130.1621.47工況115.415.6130.1621.47

煤中的灰分高到一定程度時就會導致飛灰含碳量增多，從而影響燃燒。這是因為灰分在燃燒過程中需要吸收熱量，使燃燒溫度降低，從而降低了燃燒的強度。灰分會阻礙煤中碳和氧氣發生化學反應。因此煤粉細度是影響鍋爐飛灰含碳量的重要因素之一。煤粉越細，單位質量的煤粉與空氣的接觸面積越大，有利于煤粉的著火，使爐膛的著火點提前，越容易燃盡，飛灰含碳量越小。本次試驗過程當中，主要是調整了氧量、二次風擋板以及一次風壓，因此煤質對飛灰含碳量的試驗結果只具有一定的參考意義。

3.2改變氧量

燃料完全燃燒的必要條件就是保持充足而又適量的空氣，當燃料燃燒時得不到充足的氧氣，不完全燃燒熱損失就會增加，飛灰含碳量就會增加。通過工況1至工況3的試驗來研究氧量對飛灰含碳量的影響。將爐膛出口氧量分別調整至5.2%、4.6%、3.9%，并保持穩定運行一段時間，取出飛灰樣品并化驗結果。數據顯示，氧量從5.2%降低至3.9%，飛灰含碳量分別為8.1%、8.8%和9.3%。之后重復進行了氧量為3.9%的試驗，飛灰含碳量為7.23%，比較工況3有明顯下降，但是相比工況5至工況9中氧量控制在4.6%左右時，飛灰含碳量仍然很高。因此，氧量變化對飛灰含碳量是有很大影響的，適當增加氧量有利于飛灰含碳量的降低，見圖1。

圖1　氧量與飛灰含碳量的關系

氧量的變化同時也影響著爐膛出口的NOx排放量，從工況1至工況3來看，爐膛出口氧量降低后，NOx濃度由833 mg/m3減少至712 mg/m3，而在工況10下，NOx濃度則降低至649 mg/m3。因此，爐膛出口氧量越低，則NOx濃度越低，見表3。

表3氧量對NOx濃度的影響

項目名稱工況1工況2工況3工況10平均氧量/%4.65.23.93.9平均NOx濃度/(mg·m-3)797833712649

3.3改變二次風擋板開度

通過工況4至工況9來研究改變二次風擋板開度對飛灰含碳量的影響。在其他參數不變的情況下，改變二次風擋板開度實際上就是改變了空氣過量系數。研究表明，過量空氣系數越高，則飛灰含碳量越小。本次試驗中，雖然無煙煤的比例未變，但是改變二次風擋板開度后，燃煤煤質發生了變化，因此，從結果上來看擋板開度的改變對飛灰含碳量的影響不大，比氧量對其的影響幅度要小的多。由圖2，圖3可知，一層NOx風全開/一層NOx風20%時，飛灰含碳量的值為最小值。從工況4至工況9的試驗結果來看，改變二次風擋板開度對爐膛出口NOx的影響不大，其濃度值均在800 mg/m3左右。

圖2　一層NOx風門開度對飛灰含碳量的影響

圖3　一層NOx風門開度對NOx排放濃度的影響

3.4改變一次風壓

針對鍋爐存在的下層燃燒器加不上粉，導致上層燃燒器投入偏多，上層燃燒器比下層燃燒器給粉機轉數要高的問題，通過改變一次風壓來研究對飛灰含碳量和NOx排放濃度的影響。煤粉進入爐膛到離開爐膛的時間成為在爐內的燃燒時間，分為著火、燃燒和燃盡3個階段，這個時間越長煤粉就越容易燃盡。理論上，上層燃燒器投入多，會造成爐膛火焰中心上移，煤粉在爐膛內的燃燒時間縮短，不利于煤粉燃盡，造成飛灰含碳量的增加。因此通過提高一次風壓增加下層燃燒器的轉數，從而減少燃燒器的投入數，使爐膛火焰中心下移且集中，達到降低飛灰含碳量的目的。從工況11的試驗結果來看，一次風機出口風壓提高了大約0.3 kPa，共投入燃燒器20個，運行氧量控制在4.7%，下層給粉機轉數均在460 r/min以上，此時的飛灰含碳量為7.25%，與一次風壓變化前的工況1相比之下，飛灰含碳量降低了2.05%，但其中不排除煤質變化的影響，見表4。

在工況11下，爐膛出口NOx排放濃度也比較低，與工況1的797 mg/m3相比低至716 mg/m3。這是因為下層給粉量增加，爐膛空氣的分級燃燒效果較之前更好。

表4工況1與工況11運行參數對比

項目名稱工況1工況11燃燒器投運個數—20A一次風機出口壓力/kPa4.44.7B一次風機出口壓力/kPa4.54.7平均氧量/%4.64.7飛灰含碳量/%9.37.25平均NOx排放濃度/(mg·m-3)797716

4結束語

試驗結果表明，燃煤煤質對飛灰含碳量的影響較大，而煤質中灰分越高則導致飛灰含碳量增加。氧量也是影響飛灰含碳量的重要因素，適當增加氧量有利于飛灰含碳量的降低，改變二次風擋板對飛灰含碳量的影響幅度明顯小于氧量造成的影響，另外提高一次風壓對飛灰含碳量的影響效果不太明顯，但從理論上分析，增加下層燃燒器投粉量，減少投運燃燒器的個數，有利于飛灰含碳量的降低。

關于NOx排放濃度方面，氧量對其影響較大，氧量越低則爐膛出口NOx排放濃度越低；改變二次風擋板開度對NOx排放濃度影響不大，很有可能是受煤質變化的影響；增加下層給粉量，減少投運燃燒器個數，爐膛空氣分級燃燒效果好，從而獲得良好的NOx濃度。

參考文獻：

[1]張駿陽.鍋爐飛灰含碳量分析[J].工業技術，2014(16)：77.

[2]張賢忠，王琰清.淺析鍋爐飛灰含碳量偏高的成因及解決方案[J].工業技術，2011(20)：113

[3]張光玉.影響600 MW鍋爐飛灰含碳量因素的分析[J].科技世界：2013(29)256,271.

本文責任編輯：丁力

Test Analysis on High Carbon Content and Influencing Factorsof NOxEmission Concentration

Zhang Jiao,Yan Xiaopei,Zhang Yongsheng,Gao Xin,Wang Tianlong

(State Grid Hebei Electric Power Resesrch Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:Aiming at the test to high carbon content of the boiler,through changing the oxygen content of furnaces outlet,opening degree of NOx air damper and primary air pressure,make analyses of the dependence of carbon content and NOxemission concentration.It shows that the oxygen content of furnaces outlet brings a tremendous influence to carbon content and NOxemission concentration,changing effect of primary air pressure to carbon content is not clear,which maybe affected by coal characteristics, but has significant effect on reduction of NOxemission concentration.

Key words:carbon content;NOxemission concentra-tion;oxygen content;opening NOxair dam-per degree;primary air pressure

收稿日期：2016-02-29

作者簡介：張姣(1985-)，女，工程師，主要從事電站鍋爐的生產運行試驗、調試和科研工作。

中圖分類號：TK263

文獻標志碼：B

文章編號：1001-9898(2016)03-0039-03